光學三坐標測量機的基本測量原理

陳旭杰

摘 要：因為三維測量技術結合的為光學技術具有的新發展應用，其打破了傳統的接觸式三維測量方法的優勢，使得人們可以更為快捷與準確的獲得可觀物體的單位輪廓數據信息。而本文則對光學三坐標的探測原理做一個介紹和分析比較，來討論不同測量方法的優劣勢，以及所適用的不同被測物體。

關鍵詞：光學三坐標測量機;測量法;原理

1 直射式測量法的測量原理

直射式測量方法具有的基本原理為在測量系統內部通過激光器法射出激光光束，垂直投射在被檢測物體表面的時候，產生光點或者是光線，光點通過反射進入接收透鏡的時候，將像于視覺傳感器的感光之上。

因為被檢測的物體表面的輪廓出現形態變化的時候，入射光點則是會沿著入射光軸的移動進而出現變化，為此視覺傳感器的成像也是會產生相應的移動，通過視覺傳感器成像位置的關系可以推測得到被檢測物體表面輪廓的信息。視覺傳感器的感光面與接收鏡光軸為垂直的，使得成像透鏡工作接近于軸狀態，其測量的光路原理如圖1所示。

在上圖中，L為被檢測物體相對于基準平面的移動距離，l’為成像的光點相對于成像平面基準點的移動距離。O為被檢測物體所存在的基準平面，O’為被檢測物體移動之后的平面位置。U為工作距離，也就是投射光軸同接收透鏡光軸的交點到接收透鏡主平面的實際距離，V為像距，也就是接收透鏡的主平面到成像基準點的實際距離。為工作角，也就是投射光光軸同成像光軸的夾角，H為透鏡中心到投射光束光軸的實際距離。如圖1所示，透鏡焦距為f，通過正弦定理可以得到，對于△ABC內部：

2 斜射式測量法的測量原理

斜射式的測量方法與直射式的測量方法具有的測量原理基本相同，不過激光器的投射位置具有較大的區別，激光器的投射光束光軸同被測量物體表面的法線方向構成一定的角度，其具有的測量光路的原理如圖2所示。

其中L為被檢測物體相對于基準平面的移動距離，L’為成像的光點相對于成像平面基準點的移動距離;O為被測量物體所在的基準平面，O’為被檢測物體的移動之后的平面位置。U為工作距離，也就是投射光軸以及接收透鏡光軸的交點到接收透鏡主平面的距離，V為像距，也就是接收透鏡的主平面到成像基準點的距離。是投射光源光軸同被測物體表面法線的方向夾角，成像光軸以及被測量物體表面法線方向的夾角，H為透鏡中心點到投射光源光軸的距離。如圖2所示，透鏡的焦距為f，通過正弦定理可以得到，對于△ABC內部：

3 Scheimpflug驗證條件

Scheimpflug的條件為目前成像的平面、透鏡平面以及被檢測物體平面相交得到一個共同的位置上面，對于成像平面上的像為清晰的，其光學含義指的是成像的平面、被檢測物體的表面以及透鏡平面三個平面需要相交于同一條的直線上面的時候，才可以在成像平面上得到較為清晰的像，如圖3所示。

a為入射軸同成像平面光軸的交點到透鏡中心點的距離，b為入射光軸與被檢測物體表面交點到透鏡中心點的距離，c為視覺傳感器的光軸與成像面光軸的交點到透鏡中心點的距離，α為入射光軸與成像面光軸的夾物，β為視覺傳感器光軸與成像面光軸的夾角，通過透鏡成像的原理可以知道：

4 小結

在本文中，主要針對于非接觸式的三維測量激光三角法測量的原理開展較為詳細的分析，同時對激光三角法測量內部較為常見的兩種三維測量系統搭建模式開展較為具體的分析說明，并通過Scheimpflug條件對于測量系統開展驗證分析，進而可以確保光路能產生比較清晰的圖像。最后歸納總結得到測量結構以及斜射式測量結構各自的特征，并提出所選擇的三維測量結構以及其選取的原理。

參考文獻：

[1]卜昆，劉維偉，單晨偉，等.計算機輔助制造[M].北京：科學出版社，2014.11.